Suivi par IRM de l'évolution des propriétés mécaniques des tissus lors des ablations thermiques par ultrasons focalisés

MRI monitoring of mechanical properties of tissues during ablation therapies with focused ultrasound

• Auteur / Autrice : Karine Choquet
• Direction : Afshin Gangi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie biomédical
• Date : Soutenance le 24/01/2023
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Luc Gennisson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Élodie Breton
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Luc Gennisson, William Apoutou N'Djin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tissus (histologie) -- Propriétés mécaniques

Dissertation universitaire

Ablation par ultrasons focalisés de haute intensité

Imagerie par résonance magnétique

Génie biomédical

Mots clés libres

Ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU)

Ablations thermiques

Imagerie par résonance magnétique (IRM) interventionnelle

Monitoring

Élastographie

IRM de la force de radiation ultrasonore (MR-ARFI)

High Intensity Focused Ultrasound (HIFU)

Thermal ablations

Interventional Magnetic Resonance Imaging

Monitoring

Elastography

Magnetic Resonance-Acoustic Radiation Force Impulse (MR-ARFI)

Résumé

Les ablations thermiques par ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU en anglais, pour High Intensity Focused Ultrasound) représentent des techniques thérapeutiques innovantes et prometteuses du fait de leur capacité unique à délivrer un traitement localisé de manière non invasive et non ionisante. Afin d’évaluer l’efficacité du traitement en temps réel tout en garantissant la sécurité de la procédure, la thérapie HIFU nécessite un monitoring précis de la destruction tissulaire. L’une des méthodes les plus précises pour assurer ce suivi est la thermométrie IRM, permettant d’obtenir une cartographie en temps réel de la variation de température des tissus. Cependant, les limitations de la thermométrie IRM, notamment son caractère relatif, sa sensibilité à de multiples sources d’erreur ainsi que le fait que la température soit un indicateur instantané de l’ablation, appellent au développement de biomarqueurs complémentaires. Les ablations thermiques étant également associées aux variations des propriétés mécaniques des tissus, celles-ci peuvent à ce titre être considérées comme de tels biomarqueurs, témoignant des dommages thermiques permanents subis au cours de la procédure. Lors de ce travail de thèse, nous avons développé une méthode s’appuyant sur la force de radiation ultrasonore et l’encodage par IRM de l’onde de cisaillement se propageant à partir du foyer ultrasonore. Cette approche permet l’estimation de l’élasticité moyenne le long de rayons dans la tache ARFI, en prenant en compte la viscosité estimée au point focal, sans compromettre l’obtention des cartes de température pendant le traitement HIFU. Cette méthode a été caractérisée sur des fantômes calibrés et a été par la suite utilisée pour le suivi d’ablations in vitro et in vivo. Elle a permis de suivre l’évolution de l’élasticité locale dans des tissus anisotropes, et pose la question du suivi de l’évolution de la viscosité des tissus pendant les ablations HIFU.

High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) thermal ablation is an innovative and promising therapy relying on the unique ability of HIFU to deliver localized treatment in a non-invasive and non-ionizing manner. In order to be safe and effective, HIFU therapy requires precise monitoring of the tissue destruction. One of the most accurate monitoring methods is Magnetic Resonance (MR) thermometry, which provides real-time mapping of tissue temperature variation. However, the limitations of MR thermometry, including its relative nature, its sensitivity to multiple sources of error, and the fact that temperature is an instantaneous indicator of ablation, call for the development of complementary biomarkers. Thermal ablations are also associated with variations in the mechanical properties of the tissues, and can therefore be considered as biomarkers of permanent thermal damage. In this thesis work, we developed a method based on the acoustic radiation force and the encoding of the shear wave propagating from the ultrasound focus in the MR phase images. This approach provides the estimation of the mean elasticity along radii of the focal spot, taking into account the viscosity estimated at the focus, without compromising the monitoring with temperature maps during the HIFU treatment. This method was characterized on calibrated phantoms and was subsequently used to monitor HIFU ablations in vitro and in vivo. The evolution of the local elasticity was monitored in anisotropic tissue, while the viscosity of tissue was found to also vary as a consequence of HIFU ablation.